基于加工中心坐標(biāo)軸抖動(dòng)及異響故障的研究與解決

薛一剛，常喜萍，童立信，劉安寧，王雷飛

（第一拖拉機(jī)股份有限公司大拖公司，河南洛陽(yáng) 471003）

0 引言

數(shù)控加工中心在運(yùn)行過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)部件出現(xiàn)磨損和損壞或運(yùn)行參數(shù)設(shè)置不匹配的情況下，坐標(biāo)軸在移動(dòng)的過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)或者異響的故障現(xiàn)象，若故障現(xiàn)象較為輕微，加工零件精度要求不高的情況下可能暫時(shí)不會(huì)對(duì)加工過(guò)程產(chǎn)生影響，但坐標(biāo)軸抖動(dòng)或異響的故障的顯現(xiàn)已經(jīng)預(yù)示著設(shè)備本身發(fā)出了預(yù)警信號(hào)，這種信號(hào)的發(fā)出對(duì)于數(shù)控維修人員來(lái)說(shuō)，需要引起足夠的重視。如果導(dǎo)軌、絲杠、軸承或滾動(dòng)體等部件出現(xiàn)磨損或損壞，不及時(shí)進(jìn)行檢查調(diào)整可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成更大的損傷，也會(huì)對(duì)零件加工質(zhì)量造成一定影響，而且還會(huì)縮短數(shù)控加工中心及刀具使用壽命。因此，分析研究并解決加工中心坐標(biāo)軸抖動(dòng)及異響故障，總結(jié)維修經(jīng)驗(yàn)，推廣維修方法，對(duì)于此類故障在維修過(guò)程中出現(xiàn)的突發(fā)狀況具有現(xiàn)實(shí)的借鑒意義。

1 加工中心坐標(biāo)軸抖動(dòng)及異響產(chǎn)生的誘因及解決措施

1.1 位置環(huán)增益過(guò)高導(dǎo)致的抖動(dòng)及異響

首先引入位置環(huán)增益的概念。伺服單元位置環(huán)的響應(yīng)性由位置環(huán)增益決定。位置環(huán)增益設(shè)定越高，則響應(yīng)越快、定位時(shí)間越短。一般來(lái)說(shuō)，不能將位置環(huán)增益提高到超出機(jī)械系統(tǒng)固有振動(dòng)數(shù)的范圍。因此，要將位置環(huán)增益設(shè)定為較大值，需提高機(jī)器剛性并增大機(jī)器的固有振動(dòng)數(shù)。當(dāng)增益過(guò)大，電機(jī)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，可以調(diào)節(jié)此參數(shù)，減少振動(dòng)。數(shù)控加工中心在設(shè)備出廠時(shí)由于各部件的完整性及可靠性，其設(shè)置的各坐標(biāo)軸的增益參數(shù)都是偏高的，因此，當(dāng)數(shù)控加工中心在使用一定的年限后，適當(dāng)降低加工中心的軸增益參數(shù)在一定程度上是可以消除坐標(biāo)軸抖動(dòng)情況的發(fā)生。

當(dāng)增益參數(shù)降低至一定程度時(shí)，無(wú)法再通過(guò)此方法來(lái)消除抖動(dòng)或異響的故障現(xiàn)象，反之，可能還會(huì)加劇故障的出現(xiàn)，此時(shí)說(shuō)明機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性已無(wú)法具備設(shè)計(jì)初期及使用的需求。例如公司一臺(tái)德國(guó)進(jìn)口DMC160U 五軸聯(lián)動(dòng)立臥轉(zhuǎn)換加工中心在加工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)Y 軸運(yùn)行中抖動(dòng)并伴隨異響的故障，造成加工零件尺寸不穩(wěn)定甚至處于廢品的狀況，通常出現(xiàn)這種故障時(shí)，維修人員都是采用降低Y 軸增益參數(shù)來(lái)達(dá)到消除抖動(dòng)的目的，但經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)此臺(tái)設(shè)備的Y 軸增益參數(shù)已由原來(lái)的初始值4 降為目前的0.5（圖1），顯然已不能采用降低增益的方法，這時(shí)候就需要調(diào)整機(jī)械傳動(dòng)部分。

圖1 增益參數(shù)的調(diào)整界面

1.2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)不良導(dǎo)致的抖動(dòng)及異響

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)不良體現(xiàn)在很多方面，這也是數(shù)控加工中心在使用過(guò)程中不可避免的問(wèn)題。在數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的機(jī)械傳動(dòng)中，多數(shù)為全閉環(huán)系統(tǒng)反饋，當(dāng)絲杠出現(xiàn)間隙、軸承磨損、導(dǎo)軌及滾動(dòng)塊磨損等任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，反映到整個(gè)機(jī)床床身來(lái)說(shuō)，就會(huì)出現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)不良導(dǎo)致抖動(dòng)、竄動(dòng)、異響或者振動(dòng)等故障現(xiàn)象，這時(shí)就需要徹底排查故障原因，盡早消除故障。

對(duì)于公司DMC160U 五軸聯(lián)動(dòng)立臥轉(zhuǎn)換加工中心在加工過(guò)程中出現(xiàn)的Y 軸抖動(dòng)及異響問(wèn)題，確定為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)不良導(dǎo)致。此臺(tái)機(jī)床Y 軸絲杠的驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)配同步皮帶式，在日常維修機(jī)械傳動(dòng)間隙問(wèn)題上，經(jīng)平時(shí)簡(jiǎn)單調(diào)整Y 軸皮帶的松緊程度來(lái)看，對(duì)于抖動(dòng)現(xiàn)象確有影響，但是皮帶已調(diào)至最大極限，因此判斷間隙應(yīng)該產(chǎn)生在絲杠、絲母、軸承的相對(duì)運(yùn)動(dòng)上。具體判斷調(diào)整方法如下：

（1）打開Y 軸防護(hù)罩，觀察Y 軸運(yùn)行過(guò)程，初步確定造成抖動(dòng)的原因與異響產(chǎn)生的部位。在手動(dòng)模式下通過(guò)手搖脈沖器操作Y 軸多次正、反向運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象十分明顯，于是做了一個(gè)試驗(yàn)，將同步帶稍微調(diào)松一些并且調(diào)高Y 軸增益參數(shù)，此時(shí)再通過(guò)手搖脈沖發(fā)生器操作Y 軸移動(dòng)，這時(shí)發(fā)現(xiàn)Y 軸根本無(wú)法移動(dòng)，而是在原地不停地抖動(dòng)找位置并伴隨巨大的異響聲，于是又立即恢復(fù)了相應(yīng)的參數(shù)，將目光轉(zhuǎn)移到Y(jié) 軸的絲杠與軸承傳動(dòng)上。

（2）該設(shè)備的Y 軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為電機(jī)通過(guò)皮帶帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，而且絲杠屬于兩端固定的支撐方式，絲杠自身不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)；如果機(jī)械部分產(chǎn)生間隙，只能是絲杠本身或者是軸承的間隙所致；要想檢查軸承首先需要脫開Y 軸電機(jī)，然后拆出皮帶輪進(jìn)行檢查（圖2a）），完成以上工作后發(fā)現(xiàn)Y 軸軸承的滾珠已經(jīng)脫落1/2（圖2b）），軸承確實(shí)存在問(wèn)題，故障的主要原因已找到。

圖2 脫開電機(jī)與皮帶輪檢查絲杠兩端軸承

（3）為了拿出Y 軸軸承，必須脫開絲杠的一端，于是選擇靠近主軸一側(cè)的絲杠端進(jìn)行脫開，在拆掉絲杠一頭后，拆出損壞的軸承，更換新軸承與皮帶，再重新按步驟安裝，整個(gè)安裝工作完成后進(jìn)行試機(jī)。在更換完Y 軸皮帶與軸承后，用手輪操作Y 軸移動(dòng)，這時(shí)抖動(dòng)現(xiàn)象與噪聲徹底消失，然后將Y 軸增益參數(shù)恢復(fù)到原始數(shù)值4 后，Y 軸仍然運(yùn)行平穩(wěn)，于是故障徹底解決。

1.3 伺服系統(tǒng)自身缺陷導(dǎo)致的抖動(dòng)及異響

伺服系統(tǒng)自身的缺陷可能是伺服電機(jī)自身故障，也可能是驅(qū)動(dòng)裝置硬件問(wèn)題等方面造成的故障。公司一臺(tái)ARROW 立式加工中心，在進(jìn)給加工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)Y 軸有抖動(dòng)現(xiàn)象，為了判定故障原因，將加工中心操作方式置于手動(dòng)模式，用手搖脈沖發(fā)生器控制Y 軸進(jìn)給，發(fā)現(xiàn)Y 軸抖動(dòng)現(xiàn)象仍然存在。在此方式下，通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的移動(dòng)后，Y 軸速度單元上的OVC 報(bào)警燈亮，證明Y 軸伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)生了過(guò)電流的報(bào)警。

維修時(shí)通過(guò)互換法，確認(rèn)故障原因出在直流伺服電機(jī)上。卸下Y 軸電機(jī)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)6 個(gè)電刷中有2 個(gè)的彈簧已經(jīng)燒斷，造成了電樞電流不平衡，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不平衡。另外，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的軸承亦有損壞，故而引起Y 軸的振動(dòng)與過(guò)電流。更換電機(jī)軸承與電刷后，加工中心恢復(fù)正常。

2 應(yīng)用實(shí)例

公司一臺(tái)意大利進(jìn)口STORM1400 立臥轉(zhuǎn)換加工中心，主要承擔(dān)拖拉機(jī)箱體底盤的加工任務(wù)，設(shè)備在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)Z 軸運(yùn)行抖動(dòng)，導(dǎo)致精度超差，加工零件廢品率高居不下，每次出現(xiàn)問(wèn)題都需校驗(yàn)機(jī)床精度并更換部分備配件以達(dá)到滿足精度要求的目的，對(duì)近期出現(xiàn)的一次加工中退刀槽過(guò)大的問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的Z 軸導(dǎo)軌滾動(dòng)塊在限位裝置上存在明顯缺陷，機(jī)床原有的限位只有一層2 mm 厚的刮削板，隨著機(jī)床Z 軸頻繁移動(dòng)導(dǎo)軌滾動(dòng)塊的磨損，滾動(dòng)塊會(huì)變形脫落出來(lái)，這樣就喪失了原有的精度，加劇了滾動(dòng)塊的磨損，需要對(duì)Z 軸導(dǎo)軌滾動(dòng)塊的限位裝置進(jìn)行改造，延長(zhǎng)導(dǎo)軌滾動(dòng)塊的使用壽命，徹底消除抖動(dòng)現(xiàn)象，提高機(jī)床的精度。通過(guò)日常維修的頻次及處理方法來(lái)看，此設(shè)備Z 軸運(yùn)行抖動(dòng)故障出現(xiàn)確定為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)不良、設(shè)計(jì)存在缺陷所致。具體判斷調(diào)整方法如下：

（1）打開Z 軸防護(hù)罩，發(fā)現(xiàn)Z 軸導(dǎo)軌的刮削板已經(jīng)嚴(yán)重變形，導(dǎo)軌滾動(dòng)塊也已經(jīng)脫落出來(lái)（圖3a）），需要對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

圖3 滾動(dòng)塊脫落后加裝限位裝置

（2）為了徹底杜絕這一故障隱患，必須在限位裝置上進(jìn)行改進(jìn)，首先勘察加裝限位的位置，然后分析Z 軸移動(dòng)時(shí)的狀況，設(shè)計(jì)限位塊的形位尺寸并委托加工；限位塊做好之后開始安裝，先對(duì)損壞的滾動(dòng)塊進(jìn)行更換，然后借助手電鉆在機(jī)床立柱本體上選好的位置鉆孔、過(guò)絲，最后加裝導(dǎo)軌限位塊（圖3b））并試運(yùn)行Z 軸確定無(wú)異常干涉。

（3）更換完右邊的滾動(dòng)塊并加裝限位裝置后，對(duì)左邊導(dǎo)軌的限位裝置進(jìn)行同步改進(jìn)，此時(shí)需要用到50 t 的手動(dòng)液壓千斤頂來(lái)保持立柱平衡的情況下抽出導(dǎo)軌滾動(dòng)塊完成更換，更換過(guò)程需要防止千斤頂起來(lái)時(shí)損傷Z 軸絲杠；在所有的安裝工作結(jié)束之后，對(duì)機(jī)床的垂直度進(jìn)行檢驗(yàn)，借助大理石水平儀打表檢測(cè)，對(duì)超差的精度通過(guò)調(diào)整滾動(dòng)塊的旋入深度以及地腳螺栓，使各坐標(biāo)軸垂直度保持到0.02/500 mm 以內(nèi)。

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的加工驗(yàn)證后，再未出現(xiàn)Z 軸導(dǎo)軌運(yùn)行過(guò)程中的抖動(dòng)故障，對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的不良狀況進(jìn)行有效改善后，從根本上解決設(shè)備問(wèn)題，提高了加工零件的穩(wěn)定性及加工質(zhì)量。

3 結(jié)束語(yǔ)

在數(shù)控加工中心的維修和使用過(guò)程中，隨著設(shè)備從使用初期進(jìn)入平穩(wěn)區(qū)，最后進(jìn)入加劇磨損期，坐標(biāo)軸在運(yùn)行過(guò)程中抖動(dòng)和異響故障的出現(xiàn)在所難免，符合設(shè)備運(yùn)行的一般規(guī)律。出現(xiàn)抖動(dòng)和異響時(shí)，說(shuō)明設(shè)備經(jīng)過(guò)磨合使用后進(jìn)入了一個(gè)新的階段，設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)及部件的狀態(tài)都要與之重新匹配，這時(shí)就要求數(shù)控維修人員及時(shí)掌握設(shè)備動(dòng)態(tài)，做好設(shè)備的全面體檢，從而對(duì)于一些潛在的設(shè)備隱患做到早發(fā)現(xiàn)、早解決。